Han föddes som Robert John Wagner, Jr. i Cincinnati, Ohio. Hans föräldrar var Robert John Wagner, Sr., en resande säljare för ett läkemedelsföretag, och Helen (född Hohman) Wagner, som var kontorist i ett bageri. Han hade en yngre syster, Mary Wagner, och en yngre bror, William John Wagner.
Wagners familj flyttade till Los Angeles när Bob var 12. Han började agera vid 16 års ålder, när han upptäcktes av en talangscout när han spelade i en high school-pjäs. Han skrev på med William Morris Agency och började dyka upp i små roller i filmer och tv-program.
Wagners stora genombrott kom 1951 när han fick huvudrollen i filmen "Med en sång i mitt hjärta". Han fortsatte med att spela i ett antal framgångsrika filmer, inklusive "Stars and Stripes Forever" (1952), "The Band Wagon" (1953), "The Eddie Cantor Story" (1953) och "Deep in My Heart" ( 1954).
Wagners tv-karriär började i början av 1950-talet, när han dök upp i avsnitt av shower som "Lux Video Theatre" och "The Colgate Comedy Hour". Han hade sin egen tv-serie, "It's Always Jan" (1955–1956), och han spelade också i sitcoms "The Bob Wagner Show" (1957–1958) och "The Robert Wagner Show" (1958–1959).
På 1960-talet fortsatte Wagner att synas i filmer och tv-program. Han spelade i filmer som "Sänk Bismarck!" (1960), "The Longest Day" (1962), "The Great Race" (1965) och "Harper" (1966). Han hade också en återkommande roll i tv-serien "The Saint" (1962–1969).
På 1970-talet började Wagners karriär avta. Han medverkade i färre filmer och tv-program, och han fick ofta ta på sig biroller. Han spelade dock i de framgångsrika miniserierna "Masada" (1981) och "Sins of the Father" (1984).
På 1980-talet tog Wagners karriär fart. Han spelade i tv-serien "Hart to Hart" (1979–1984) och "Scarecrow and Mrs. King" (1983–1987). Han medverkade också i ett antal framgångsrika filmer, inklusive "Ice Station Zebra" (1968), "The Towering Inferno" (1974) och "The Pink Panther Strikes Again" (1976).
På 1990-talet fortsatte Wagner att synas i filmer och tv-program. Han spelade i filmer som "Dragonfly" (2002) och "Austin Powers in Goldmember" (2002). Han hade också en återkommande roll i tv-serien "Monk" (2002–2009).
Wagners sista filmuppträdande var i 2008 års film "The Second Chance". Han dog av lunginflammation den 18 mars 2008.
Wagner var gift tre gånger. Han var först gift med skådespelerskan Natalie Wood från 1957 till 1962. De hade en dotter tillsammans, Natasha Gregson Wagner. Han var sedan gift med skådespelerskan Marion Marshall från 1963 till 1970. De fick två barn tillsammans, Katie Wagner och Joshua Wagner. Han var slutligen gift med skådespelerskan Jill St. John från 1990 till sin död 2008.
Wagner var en framgångsrik skådespelare med en karriär som sträckte sig över sex decennier. Han medverkade i över 100 filmer och tv-program, och han var en älskad figur i Hollywood.